DE69204803T2 - Verriegelungsvorrichtung einer Hülse die pyrotechnische Materialien enthält. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verriegelung einer pyrotechnische Materialien enthaltenden Hülle. Sie ist beispielsweise anwendbar, um die Verletzbarkeit von Antrieben im Umkreis von Unfällen zu verringern.
• Zwei Arten von Einwirkungen stellen die Sicherheit bei der Lagerung und der Verwendung von pyrotechnische Ladungen enthaltenden Produkten, insbesondere Antrieben, in Frage, nämlich einerseits die Einwirkungen aufgrund von Erwärmungen und andererseits mechanische Einwirkungen.
• Im Rahmen der Erwärmungen, langsamen oder schnellen, können zwei Phasen unterschieden werden. Die erste Phase besteht aus dem Temperaturanstieg, beispielsweise eines Antriebs, bis zur Temperatur der Selbstzündung der pyrotechnischen Materialien, im allgemeinen Propergol. Die Zeit zwischen dem Beginn der Wärmeeinwirkung und der pyrotechnischen Zündung hängt also von der Temperatur der Selbstentzündung von Propergol, aber auch von den Strukturelementen ab, die die Ladung umgeben, z.B. einem Mantel, einem thermischen Schutz oder einem Inhibitor. Im allgemeinen fordern die Spezifikationen bezüglich der Verletzbarkeit eine Mindestzeit von beispielsweise 3 bis 5 Minuten vor dieser Selbstentzündung.
• Die zweite Phase entspricht der pyrotechnischen Reaktion selbst. Da weder eine Detonation noch eine Verpuffung toleriert, aber die Verbrennung nicht vermieden werden kann, sucht man einen möglichst sanften pyrotechnischen Ablauf zu erzielen. Dieser Ablauf ist die Verbrennung ohne Antriebs- oder Rückstoßwirkung. Der Druckanstieg der durch die Selbstzündung des Brennstoffs, z.B. Propergol, erzeugten Gase führt aber zu einer pneumatischen Explosion der Hülle des Antriebs und damit zu einer Verpuffung. In einem Antrieb läßt sich ein solcher Druckanstieg nämlich nur schwer vermeiden, da die Hülle für hohe Drücke konzipiert ist. Da dieser Druck im allgemeinen dem maximalen Betriebsdruck einschließlich eines Sicherheitskoeffizienten entspricht, kann dieser Druck einige hundert Bar erreichen.
• Im Fall mechanischer Einwirkungen, zum Beispiel dem Aufprall von Kugeln oder Bruchstücken, kann man nicht mit der örtlichen Verformung, z.B. einer Öffnung aufgrund der mechanischen Einwirkung rechnen, um einen Druckanstieg der Hülle zu verhindern, wenn eine pyrotechnische Zündung vorliegt. Man muß daher ein Propergol sowie pyrotechnische Produkte wählen, die bei einem Aufprall nicht sofort detonieren, und alles tun, damit der durch den Aufprall ausgelöste pyrotechnische Vorgang weder zu einer Verpuffung noch zu einem Vorschub führt.
• Um die oben angegebenen Folgen zu vermeiden, kennt der Fachmann sogenannte aktive Schutzverfahren. Diese Verfahren bestehen darin, die Hülle vollständig zu öffnen, sobald Unfallbedingungen festgestellt werden. Ihr Nachteil ist es, zusätzliche Elemente wie Sonden, Energiequellen oder Betätigungsorgane zu erfordern, die die Komplexität des Systems erheblich vergrößern. Außerdem muß gewährleistet sein, daß sie unter allen denkbaren Umständen richtig funktionieren.
• Ziel der Erfindung ist es, die obengenannten Nachteile zu beheben und insbesondere ein doppeltes Verriegelungs- system vorzusehen, das abhängig vom Innendruck der Hülle wirksam wird.
• Dieses Problem wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
• Der Hauptvorteil der Erfindung liegt darin, daß sie eine normale Zündung von einer versehentlichen Zündung zu unterscheiden vermag, daß sie die Dichtheit der Hülle des Antriebs nur bei der Aktivierung der normalen Zündung gewährleistet, so daß ein wirksamer Schutz gegen Verpuffungen gegeben ist, insbesondere während Phasen wie der Lagerung, der Handhabung oder dem Transport. Außerdem läßt sich die Erfindung einfach realisieren und ist nicht teuer.
• Andere Merkmale und Vorzüge der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen hervor.
• Figur 1 zeigt im Schnitt eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
• Die Figuren 2a, 2b, 3a und 3b zeigen mögliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
• Figur 1 zeigt im Schnitt eine Hülle 1, die ein pyrotechnisches Material 2 enthält und deren Öffnung durch ein Verschlußelement 3 verschlossen ist. Die pyrotechnischen Materialien können die eines Antriebs sein, beispielsweise ein Block von Propergol, während das Verschlußelement beispielsweise das Ende einer Rakete ist. Zündmittel 4, die beispielsweise fest mit dem Verschlußelement 3 verbunden sind, sind in der Lage, das pyrotechnische Material zu zünden. Diese Zündung wird durch Aktivierung der Zündmittel 4 hervorgerufen, die beispielsweise von einem elektrischen Signal gesteuert werden. Die Zündmittel zünden das pyrotechnische Material 2 und setzen ein heißes Gas mit einer Temperatur von im allgemeinen etwa 2000ºC frei.
• Gemäß Figur 1 ist die Hülle 1 erfindungsgemäß mit dem Verschlußelement 3 über mindestens erste Verriegelungsmittel 5 und 6 verbunden. Diese Mittel 5, 6 können beispielsweise Schrauben sein. Bei einem höheren Druck als ein gegebener Druck P&sub0; in der Hülle sichern die Verriegelungsmittel 5, 6 nicht mehr den Halt der Hülle 1 auf dem Verschlußelement 3 und brechen beispielsweise, so daß die Hülle im Fall eines versehentlichen Überdrucks in deren Inneren geöffnet wird.
• Die Verriegelungsvorrichtung gemäß der Erfindung enthält zweite Verriegelungsmittel 7 und 8. Wenn diese aktiv sind, wird die Hülle 1 hauptsächlich am Verschlußelement 3 durch diese zweiten Verriegelungsmittel 7, 8 gehalten. Erfindungsgemäß halten sie die Hülle 1 auf dem Verschlußelement 3 nur fest, wenn die Zündmittel 4 aktiviert worden sind, wobei diese zweiten Verriegelungsmittel 7, 8 die Hülle 1 bei Innendrücken oberhalb des gegebenen Drucks P&sub0; fest mit dem Verschlußelement 3 verbunden halten, so daß die bei der Verbrennung des pyrotechnischen Materials erzeugten Überdrücke ausgehalten werden. Diese zweiten Verriegelungsmittel 7, 8 können beispielsweise aus Kolben bestehen, die am Verschlußelement 3 angebracht sind und in Nuten der Hülle 1 bei Aktivierung der Zündmittel 4 eindringen. Diese zweiten Verriegelungsmittel müssen geeignete Abmessungen haben, um den Innendruck der Hülle auszuhalten, der beispielsweise einige hundert Bar erreichen kann. Erfindungsgemäß können die ersten Verriegelungsmittel 5, 6 aktiv bleiben, wenn die zweiten Mittel 7,8 aktiviert werden, ihre Haltefunktion ist dann jedoch gegenüber der der zweiten Verriegelungsmittel 7, 8 vernachlässigbar.
• Figur 2a zeigt eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Diese Vorrichtung dient dazu, mit einem Verschlußelement 3 die Öffnung der Hülle 1 zu verschließen und zu verriegeln. Das Verschlußelement 3 kann beispielsweise ein Ende einer Rakete sein. Die Hülle 1 enthält pyrotechnisches Material 2, beispielsweise einen Block von Propergol, dessen Verbrennung den Antrieb der Rakete erlaubt. Die ersten Verriegelungsmittel bestehen beispielsweise aus Schrauben, zum Beispiel drei Schrauben, von denen zwei Schrauben 5 und 6 sichtbar sind, die die Hülle 1 am Verschlußelement 3 befestigen. Hierzu durchdringen die Schrauben Löcher am Ende der Hülle 1, wo diese mit dem Verschlußelement 3 in Kontakt steht, wobei die Schrauben 5, 6 in Gewindelöcher im Verschlußelement 3 eingeschraubt sind.
• Die zweiten Verriegelungsmittel bestehen beispielsweise aus vier Kolben, von denen nur einer 9 im Schnitt in Figur 2a sichtbar ist, aus zwei Ventilelementen 14, 15, von denen nur eines in Figur 2a zu sehen ist, und aus Federn zum Halten der Kolben und Ventilelemente, von denen zwei Federn 16, 27 im Schnitt in Figur 2 zu sehen sind. Diese Elemente sind fest mit dem Verschlußelement 3 verbunden. Diese zweiten Verschlußmittel werden durch eine Nut in der Hülle 1 vervollständigt, die die Kolben aufnimmt. Die Nut 1 zur Aufnahme des Kolbens 9 ist in Figur 2a zu sehen. Die Ventilelemente 14, 15 können beispielsweise Kugeln sein.
• Figur 2b zeigt einen Schnitt entlang der Achse BB' in Figur 2a. Die Hülle und das Verschlußelement sind beispielsweise drehsymmetrisch gestaltet. Diese Ansicht zeigt nur die Lage der vier Kolben 9, 10, 11, 12 und der beiden Kugeln 14, 15 der Vorrichtung sowie die Lage der Achse AA' der Schnittdarstellung gemäß Figur 2a. Diese Figur 2a ist ihrerseits eine Schnittansicht in Richtung des Pfeils F entlang der Achse AA', die in Figur 2b zu sehen ist. Der Betrieb der zweiten Verriegelungsmittel wird durch die Zündmittel gesteuert, die im allgemeinen von einem Heizelement 17, beispielsweise einem elektrischen Zünder, und von einer kleinen Ladung 18 mit kurzer Brenndauer gebildet werden, die sich in einer Kammer 19 innerhalb des Verschlußelements 3 befinden, wobei diese Kammer durch eine Wand 12 hermetisch verschlossen ist. Durch diese Wand dringt das Ende des Heizelements 17 aus der Kammer 19 heraus, um es beispielsweise an eine elektrische Leitung 21 anzuschließen.
• Bei normalem Betrieb eines Antriebs, insbesondere eines Raketenantriebs, wird erfindungsgemäß ein elektrisches Aktivierungssignal an das Heizelement 17 über die elektrische Leitung 21 übertragen. Das Heizelement 17 erzeugt heiße Gase und zündet die kleine Ladung 18 mit geringer Brenndauer. Der durch diese Verbrennung erzeugte Druck schert je einen Kragen 25 ab, der mit einem Kolben 9 fest verbunden ist, und drückt den Kolben 9 in die Aufnahmenut 13, wobei die Gase durch Kanäle 22 strömen, die die Kolben 9 mit der Kammer 19 verbinden. Die Kragen 25 verhindern, daß die Kolben in die Aufnahmenuten 13 aufgrund der Federwirkung eindringen, solange die Verbrennung der kleinen Ladung 18 nicht erfolgt, d.h. vor dem normalen Betrieb des Antriebs. Während der Verschiebung der Kolben 9 steigt der Druck im Inneren der Kammer 19 weiter an und die Kugeln 14 und 15 lassen die Gase über Kanäle 23 und 24 strömen, die die Hauptladung des Antriebs 2 aufgrund ihrer hohen Temperatur von z.B. 2000ºC zünden. Der Kanal 23 ist mit der Kammer 19 und der Kanal 24 mit der Hauptladung des Antriebs 2 verbunden, wobei die Kugel 14 den Durchlaß zwischen diesen beiden Kanälen versperrt, solange sie nicht durch die von der Kammer 19 kommenden Gase verschoben wurde. Die Schließposition der Kugel wird durch eine Feder 27 aufrechterhalten. Solange zumindest ein Teil der Kolben 9 nicht in die Nuten 13 eingedrungen ist, verschiebt sich erfindungsgemäß die Kugel nicht und verschließt den Durchlaß. Dies geschieht beispielsweise derart, daß ab einem gegebenen Druckwert in der Kammer 19 die Kolben teilweise in die Nuten 13 eingedrungen sind, und daß die durch den Druck auf die Kugeln 14, 15 ausgeübte Kraft geringer als die ist, die von den Federn 27 auf die Kugeln 14 und 15 ausgeübt wird. Die Kolben 9 werden in den Nuten 13 durch die Federn 16 gehalten, um die Verriegelung der Hülle 1 mit dem Verschlußelement 3 zu halten. Abhängig von der durch die Haltefedern 27 auf die Kugeln 14, 15 ausgeübten Kraft kann der Innendruck der Kammer 19 eingestellt werden, von dem an die Kugeln 14, 15 abheben.
• Wenn versehentlich die Ladung 2 des Antriebs zündet, steigt der Druck in der Hülle 1 an. Da aber die Kugeln 14, 15 die Verbindungskanäle 23 mit der Kammer 19 verschließen, die ihrerseits über die Verbindungskanäle 22 mit den Kolben verbunden ist, können die Kolben nicht verschoben werden und damit auch nicht in die Aufnahmenuten 13 der Hülle 1 eindringen. In diesem Fall halten nur die ersten Verriegelungsmittel 5, 6, die Hülle 1 auf dem Verschlußelement 3. Da der Druck auf den Boden 26 des Verschlußelements 3 einwirkt, werden die Schrauben, die beispielsweise die ersten Verriegelungsmittel 5, 6 bilden, abgeschert. Das Ende der Rakete, das beispielsweise das Verschlußelement 3 bildet, löst sich von der Hülle 1 und vom Antrieb 2, so daß die Gase freigesetzt werden. Es ergibt sich also eine Verbrennung ohne Vorschub, so daß gefährliche Situationen ausgeschaltet werden. Die Schrauben 5, 6 müssen beispielsweise den beim Transport und beim Raketenstart auftretenden Kräften widerstehen. Im Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, das in den Figuren 2a und 2b gezeigt ist, sind neben anderen Elementen vier Kolben, zwei Kugeln und drei Schrauben vorgesehen, aber es ist offenkundig, daß diese Zahlenangaben je nach den Anwendungen und insbesondere der Größe des Geräts variieren können.
• Die Figuren 3a und 3b zeigen eine andere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Unterschied zum vorhergehenden Ausführungsbeispiel besteht darin, daß es keine Kolben mehr gibt. Figur 3b zeigt eine Schnittansicht der Vorrichtung in Figur 3a gemäß der Achse DD', während Figur 3a eine Schnittansicht gemäß der Achse CC' in Figur 3b darstellt. Die Zündmittel 17, 18, 19 sind genauso wie bei der Ausführungsform gemäß Figur 2a ausgebildet. Die Kugeln 14, 15 und die Haltefedern 27 für diese Kugeln sind anders angeordnet. Im Beispiel der Figuren 3a und 3b läßt beim Normalbetrieb des Antriebs der von der Verbrennung der kleinen Ladung 18 erzeugte Druck ein dünnes Rohr 31 aufblähen, das sich zwischen der Hülle 1 und dem in die Hülle eindringenden und die Zündmittel 17, 18, 19 enthaltenden Bereich des Verschlußelements 3 befindet. Dieses Aufblähen läßt einen Ring 32 beispielsweise in acht Stücke zerreißen. Dieser Ring sitzt zwischen dem Rohr 31 und der Hülle 1. Diese Stücke legen sich gegen die Hülle 1 in der Nut 33 und verhindern so die Freigabe der Hülle 1 vom Verschlußelement 3, da das dünne Rohr 31 eine permanente Verformung erfährt. Wenn das dünne Rohr 31 aufgebläht wurde, können die aus der Kammer 19 kommenden Gase die Kugeln 14, 15 über einen Kanal 35 anheben und die Hauptladung 2 über einen nicht dargestellten Kanal zünden. Wenn die Kugeln 14, 15 durch die Gase nicht angehoben wurden, ist der Durchlaß zwischen den Kanälen 35, die mit der Kammer 19 nach dem Aufblähen des dünnen Rohrs 31 in Kontakt stehen, und den nicht dargestellten Kanälen versperrt, die zur Hauptladung 2 beispielsweise eines Antriebs führen. In diesem zweiten Ausführungsbeispiel, das in den Figuren 3a und 3b gezeigt ist, bestehen also die zweiten Verriegelungsmittel aus den Kugeln 14 und 15, ihren Haltefedern 27, dem dünnen Rohr 31, dem zerreißbaren Ring 32 und den Aufnahmenuten 33, 34 für die Fragmente des Rings 32. Die ersten Verriegelungsmittel bestehen nach wie vor aus den Schrauben 5 und 6.
• Bei einer versehentlichen Zündung der Hauptladung 2, die beispielsweise aus pyrotechnischem Material in der Hülle besteht, gleicht der Betrieb dem des vorher anhand der Figuren 2a und 2b beschriebenen Ausführungsbeispiels.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Verriegelung einer Hülle (1), die ein pyrotechnisches Material (2) sowie Zündmittel (4) enthält, wobei die Zündmittel zum Zünden des pyrotechnischen Materials (2) aktiviert werden können und mindestens eine in einer Kammer (19) enthaltene Ladung (18) aufweisen, deren Verbrennung den Druck im Inneren dieser Kammer (19) erhöht, und wobei die Hülle (1) eine durch ein Verschlußelement (3) verschlossene Öffnung besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mindestens ein Sperrorgan (14, 15), das durch eine Feder (27) in einer Stellung gehalten wird, in der ein Durchlaß (23, 24) für Gas zwischen der Kammer (19) und dem pyrotechnischen Material versperrt wird, sowie Verriegelungsmittel (7, 8, 16, 9, 25, 31, 32) aufweist, die sich dauerhaft unter der Wirkung eines ersten Drucks verformen, so daß die Hülle (1) fest an das Verschlußelement (3) gekoppelt wird, wobei die Verbrennung der Ladung (18) in der Kammer (19) eine solche Druckerhöhung erzeugt, daß in einer ersten Phase die Verriegelungsmittel (16, 9, 25, 31, 32) sich verformen, wenn der Druck über einen gegebenen ersten Druckwert anwächst, und daß in einer zweiten Phase das Sperrorgan (14, 15) den Durchlaß für heißes Gas zwischen der Kammer (19) und dem pyrotechnischen Material (2) freigibt, wenn der Druck in der Kammer (19) einen zweiten gegebenen Druckwert überschreitet, wobei dieser Druck auf das Sperrorgan (14, 15) eine Kraft ausübt, die größer als die Haltekraft der Feder (27) und dieser entgegengesetzt ist, so daß das heiße Gas zum pyrotechnischen Material durchgelassen wird und dieses zündet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem weitere Verriegelungsmittel (5, 6) vorgesehen sind, die die Hülle (1) mit dem Verschlußelement (3) fest verbinden, solange ein Schwellwert (P&sub0;) des Drucks in der Hülle unterhalb des zweiten gegebenen Druckwerts nicht erreicht ist.

3. Vorrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündmittel ein Heizelement (17) aufweisen, das von einem elektrischen Signal (21) aktiviert wird, wobei diese Aktivierung des Heizelements (17) die Verbrennung der Ladung (18) in der Kammer (19) hervorruft.

4. Vorrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrorgan (14, 15) eine Kugel ist.

5. Vorrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungsmittel (7, 8) einen Kolben (9) enthalten, der fest mit dem Verschlußelement (3) verbunden ist und in eine Aufnahmenut (13) der Hülle (1) eingreift, wenn der Druck in der Kammer (19) den ersten gegebenen Druckwert übersteigt, worauf der Kolben durch eine Feder (16) in der Nut (13) gehalten wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Kolben (9) fest verbundener Kragen (25), der den Kolben außerhalb der Nut (13) hält, abschert, wenn der Druck in der Kammer (19) den ersten gegebenen Druckwert übersteigt.

7. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungsmittel (7, 8) mindestens ein dünnes Rohr (31) und einen in Segmente zerreißbaren Ring (32) enthalten, der zwischen dem dünnen Rohr (31) und der Hülle (1) liegt, wobei die Segmente des Rings (32) in Aufnahmenuten (33) der Hülle (1) eindringen, wenn das dünne Rohr (31) sich unter der Wirkung des Drucks in der Kammer (19) aufweitet, wobei diese Aufweitung stattfindet, wenn der Druck über den ersten gegebenen Druckwert ansteigt, worauf die Segmente durch die dauerhafte Verformung des dünnen Rohrs (31) in den Nuten (33) gehalten werden.

8. Vorrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Verriegelungsmittel (5, 6) zumindest aus Schrauben bestehen, die sowohl in die Hülle (1) als auch in das Verschlußelement (3) eingeschraubt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrauben (5, 6) abgeschert werden, wenn der Druck in der Hülle (1) den Druckschwellwert (P&sub0;) überschreitet.